Metody badań strukturalnych w biotechnologii Wykład V Spektroskopia NMR – stała sprzężenia

Stała sprzężenia Odległość w Hz dwóch linii powstałych w wyniku sprzężenia spinowo-spinowego między jądrami A i B przez n wiązań łączących te jądra.

Wartość stałej sprzężenia J (wyrażana w Hz) nie zależy od indukcji zewnętrznego pola mgnetycznego ale od: - rodzaju sprzęgających się jąder, - odległości między sprzęgającymi się atomami, - budowy i geometrii układu (rodzaje podstawników, typy hybrydyzacji, konformacja cząsteczki)

Przesunięcie chemiczne (d, ppm) Cl2CHCH3 4 linie kwartet 2 linie; dublet CH3 CH 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Przesunięcie chemiczne (d, ppm) 1

Sprzężenia przez dwa i trzy wiązania H C C H H H protony geminalne dwa wiązania protony wicynalne trzy wiązania 14

aby występowało sprzężęnie protony nie mogą mieć Sprzężenia H C C H H H aby występowało sprzężęnie protony nie mogą mieć takich samych przesunięć chemicznych Stale sprzężenia (2J lub 3J) są niezależne od wartości przyłożonego pola magnetycznego 14

Wartość geminalnej stałej sprzężenia 2J zależy od: hybrydyzacji atomu węgla łączącego atomy wodoru: - dla hybrydyzacji sp3 wartość w granicach od 6 do –20 Hz, - dla hybrydyzacji sp2 wartość od 2 do – 20 Hz, b) rodzaju podstawników - w miarę wzrostu elektroujemności podstawnika przesunięcie w kierunku wartości dodatnich H C H

Wicynalna stała sprzężenia 3J – poprzez trzy wiązania Można rozróżnić dwa rodzaje tego typu stałej: przenoszone przez wiązania typu σ przenoszone przez wiązania typu σ i π W obu przypadkach stała sprzężenia przyjmuje wartości dodatnie C H H

Sprzężenie przez trzy wiązania σ zależy od następujących czynników: wartości kąta dwuściennego między sprzęgającymi się protonami, elektroujemności podstawników, orientacji podstawników względem sprzęgających się atomów, hybrydyzacji atomów węgla między sprzęgającymi się protonami.

Wpływ wartości kąta dwuściennego φ między sprzęgającymi się protonami: Na podstawie obliczeń teoretycznych i eksperymentów otrzymano zależność znaną jako równanie Karplusa – Conroya: J = A + Bcosφ + Ccos2φ gdzie: A, B, C – stałe (A = 4.22, B = -0.5, C = 4.5)

Krzywa Karplusa

Wpływ elektroujemności podstawników: W miarę zwiększania elektroujemności podstawnika stała sprzężenia 3J liniowo maleje. W układach z heteroatomem: H-C-X-H, gdzie X = N, O lub S Wartość stałej sprzężenia rośnie i w przypadku konformacji antyperiplanarnej może dochodzić do 12 Hz.

Wpływ orientacji podstawnika względem sprzęgających się atomów 3JHH = 5.5 Hz 3JHH = 3 Hz Mniejsze wartości stałych sprzężenia obserwuje się w układach, w których w konformacji antyperiplanarnej w stosunku do jednego z protonów znajduje się elektroujemny podstawnik.

Wpływ hybrydyzacji atomów węgla między sprzęgającymi się protonami 3JHH = 5 – 8 Hz 3JHH = 10 - 12 Hz

J(A,C)=8.6Hz J(A,B)=17.4Hz J(B,C)=3.3Hz J(A,C)= 6.88Hz J(B,C)= 14.42Hz J(A,B)= -1.87 Hz

Sprzężenie przez wiązania σ i π Wartość stałej w większości wypadków uzależniona jest od elektroujemności podstawników związek Stała sprzężenia [Hz] 3Jcis 3Jtrans Winylolit Propen Fluoroeten Benzen (orto) Pirydyna (2,3) Pirydyna(3,4) 19.3 10.00 4.6 7.5 4.9 7.7 23.9 16.8 12.7 -

Sprzężenie przez cztery i więcej wiązań Wartość tego typu stałej sprzężenia może być duża, jeśli pomiędzy protonami znajduje się wiązanie wielokrotne. Przykładem jest sprzężenie allilowe, gdzie 4J może dochodzić do wartości 3 Hz

J(C,D)=6.40 Hz J(A,D)= -1.33 Hz J(B,D)= -1.75 Hz

J(A,B)=16.8Hz J(A,C)=9.7Hz J(A,D)=7.2Hz

Dużo większe wartości 4J przyjmuje kiedy między sprzęgającymi się protonami występuja wiązania potrójne albo układ allenowy 4JHH = 2.5 Hz 5JHH = 5 Hz Sprzężenie przez pięć wiązań obserwuje się jedynie w układach zawierających wiązania wielokrotne.

J(A,B)= 2.8 Hz J(A,C)= 3.45 Hz

Sprzężenia

Zastosowania równowagi tautomeryczne

Zastosowania konformacje

Zastosowania – procesy dynamiczne - cykloheksan

Procesy dynamiczne – rotacja wokół wiązania częściowo podwójnego .. Wiązanie pojedyncze (np. na skutek sprzężenia) może nabrać charakteru wiązania częściowo podwójnego.

Zastosowania równowagi konformacyjne

Zastosowania równowagi konformacyjne

Spektroskopia magnetycznego rezonansu protonowego, w której wykorzystuje się takie wielkości jak przesunięcie chemiczne i stała sprzężenia jest dobrym narzędziem do badania prostych układów. W przypadku bardziej skomplikowanych molekuł konieczne jest: - zastosowanie spektrometrów o większej rozdzielczości, - zastosowanie bardziej zaawansowanych technik pomiarowych.

Widmo kamfory wykonane przy różnej rozdzielczości spektrometru